JP3540300B2

JP3540300B2 - Rotation detection device

Info

Publication number: JP3540300B2
Application number: JP2001280030A
Authority: JP
Inventors: 下明平森
Original assignee: Toshiba Elevator Co Ltd
Current assignee: Toshiba Elevator and Building Systems Corp
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: JP2003083769A; TW536624B; US20050033547A1; WO2003025516A1; CN1247962C; MY129883A; CN1554012A; KR100536039B1; EP1426736A4; KR20040035781A; US7054783B2; EP1426736A1; EP1426736B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、出力信号に内在するリップル成分を低減させることにより回転機等のトルクリップルを低減することができる回転検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの出力トルクには一般にリップルが存在する。このトルクリップルはサーボモータの速度むらや位置誤差の要因となるため、たとえばＮＣ（数値制御）装置においては加工精度を悪化させる原因となり、エレベータにおいては乗りかごが加振され乗り心地を損なわせる要因となっている。
【０００３】
この種のトルクリップルを検出する場合、得られるトルクリップルには、減速機を含むモータ本体に起因する内的なものと、回転検出センサに起因して外的に発生するものとがある。前者はモータ固定子と回転子の工作精度や回転子軸受けの偏心、モータ内部の磁界の高調波および減速機の組立て精度に起因している。前者のトルクリップルの低減方法は従来から種々検討され提案されており、たとえば、特開平７−１２９２５１号公報に見られるように、減速機の発生するトルクリップルに着目してトルクリップル調整ゲインをＡ、減速機の回転角をθ、初期位相をα１として、補正信号Ｔcomp（＝Ａ・sin（θ＋α１））を演算し、モータの回転周期に同期させてフィードフォワード的に目標トルク指令に加算してトルクリップルを打ち消す方法や、特開平１１−２９９２７７号公報に見られるように、トルクリップルがモータの回転角と相関性を持つことからこの相関関係を記憶装置に記憶させ、モータ回転角に基づいてこれと対応するトルクリップルデータを読み出し、トルク指令値からリップル分を差し引いたものを新たなトルク指令値とする方法等がある。
【０００４】
一方、後者の回転検出センサに起因するトルクリップルは結果的にモータトルクリップルとして現れるため、モータの制御装置に上述のような制御方法を適用してリップルを低減することにより問題とならないことが多い。しかし、回転検出センサの出力値に検出対象の回転角に起因するリップルが含まれると、リップルの振幅が検出対象の角速度に比例して大きくなるため、モータのトルクや回転速度を制御する際に角速度フィードバックゲインを大きくすることができないという問題が生じ、制御装置に多大な負担がかかるばかりでなく、装置コストの上昇を招いていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の回転検出装置にあっては、その出力にリップルが含まれていても回転検出装置が装備される回転機のトルクリップルや速度むらとなって顕在化しないよう回転機の駆動装置や制御装置内で種々の制御方式が適用されていた。このため、回転機の駆動装置や制御装置が複雑になり信頼性の低下やコストの上昇を招くという問題があった。しかも、電動機のトルクリップルには、回転検出装置出力のリップルのほかにも、減速機の組立て精度やモータ本体の工作精度、磁界の高調波等の要因もあり、回転検出装置出力のリップルはこれら要因の特定を困難にするものであり、センサとしての機能を十分に果たしているとは言えない状況にあった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に基づきなされたもので、その目的とするところは、出力リップルを低減し、回転検出装置が装備される回転機等のアクチュエータのトルクリップルや速度むらの削減、アクチュエータ駆動装置や制御装置の簡素化、コストの低減化および信頼性を向上させることができる回転検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、回転体の回転運動を検出する回転検出手段と、回転検出手段の出力に基づき回転体の回転角を検出する回転角検出部および回転体の角速度を検出する角速度検出部を含む回転演算手段とを備える回転検出装置において、回転演算手段は、回転角検出部によって検出された回転角の正弦値を演算する三角関数演算部と、三角関数演算部によって算出された正弦値に所定のゲインを乗じるゲイン調整部と、ゲイン調整部の出力に角速度検出部の出力を乗じる乗算部と、角速度検出部の出力から乗算部の出力を減じて角速度信号とする減算部とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、三角関数演算部が、回転角検出部によって検出された回転角の位相を調整する位相調整手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転検出手段が、回転体の回転角に応じた出力を生じるレゾルバを備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転検出手段が、回転体の角速度に応じた電圧を出力する発電機を備えていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転検出手段が、回転体の回転角に応じた出力を生じるエンコーダを備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転検出手段が、回転演算手段から離隔して配置されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転検出手段が回転演算手段を内包していることを特徴とする。
【００１４】
請求項８に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転演算手段が、角速度のリップル成分を低減する手段を備えていることを特徴とする。
請求項９に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転演算手段が、回転角をθ、角速度をω、ゲイン調整部のゲインをＧ、位相調整部の調整位相値をΨ、回転体１回転当たりの回転角検出部の出力に含まれるリップル周期数をｎとして、
ω_ｏｕｔ＝ω（１−Ｇ・sin（ｎθ＋Ψ））・・・（１）
として得られる角速度ω_ｏｕｔを演算することを特徴とする。
【００１５】
請求項１０に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転演算手段が、回転角のリップル成分を低減する手段を備えていることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転角検出部が、角速度検出部の出力を積分して回転角を得る積分器を備えていることを特徴とする。
【００１７】
請求項１２に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転演算手段が角速度出力ω_ｏｕｔを積分する積分器を備えていることを特徴とする。
【００１８】
請求項１３に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転演算手段が、回転角のリップル成分を低減した回転角信号および角速度のリップル成分を低減した角速度信号を出力することを特徴とする。
【００１９】
請求項１４に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、回転演算手段が、複数段直列に設けられていることを特徴とする。
【００２０】
請求項１５に係る発明は、請求項２記載の回転検出装置において、位相調整部が複数の調整位相値を有し、回転体のトルクの符号に応じて複数の調整位相値のうち一つを選択的に出力することを特徴とする。
【００２１】
請求項１６に係る発明は、請求項１記載の回転検出装置において、ゲイン調整部が、回転体の回転子回転軸に作用する重力方向の外力に応じて所定のゲインを変動させることを特徴とする。
【００２２】
＜発明の原理＞
本発明は回転検出手段の出力に含まれるリップル成分、特に測定対象物の回転周期に依存して出現するリップル成分を効果的に除去することができる。そして、当該回転検出手段の出力が複数のリップル成分を持つ場合にはそれぞれのリップルに対応する回転演算手段を複数個設けることですべてのリップル成分を効果的に低減することが可能である。すなわち、検出対象の回転角をθ_０とすれば、振幅ａのリップルを持つ回転検出手段の出力は回転角検出部により次式の回転角出力θに変換される。
【００２３】
θ＝θ_０−ａ・cos（nθ_０＋φ）・・・（２）
ただし、nは検出対象１回転当たりのリップル周期数、φは回転検出対象に回転検出手段を取付ける際の初期位相差である。
【００２４】
ここで本発明では、たとえば角速度検出部で回転角出力θを時間微分して次式の角速度出力ωを得る。
【００２５】
ω＝dθ_０/dt（１＋a・n・sin（nθ_０＋φ））・・・（３）
回転演算手段が、たとえば式（１）に基づいて当該手段の出力ω_ｏｕｔを演算するとすれば、出力ω_ｏｕｔは、式（１）に式（２）および式（３）を代入して、
ω_ｏｕｔ＝dθ_０/dt（１−Ｇ・sin（Ψ−ａ・ｎ・cos（ｎθ_０＋φ）＋ｎθ_０）＋ａ・ｎ・sin（ｎθ_０＋φ）−ａ・ｎ・Ｇ・sin（Ψ−ａ・ｎ・cos（ｎθ_０＋φ）＋ｎθ_０）sin（ｎθ_０＋φ））・・・（４）
と表されることになる。ここで、dθ_０/dtは検出対象の角速度である。
【００２６】
式（４）は、リップルの振幅が一般に小さく、ａ≪１とみなせることから、三角関数を角度ゼロの近傍で線形近似して展開すると、
ω_ｏｕｔ＝dθ_０/dt（１−Ｇ・sin（Ψ＋ｎθ_０）＋ａ・ｎ・Ｇ・cos（Ψ＋ｎθ_０）cos（ｎθ_０＋φ）＋ａ・ｎ・sin（ｎθ_０＋φ）−ａ・ｎ・Ｇ・sin（Ψ−ａ・ｎ・cos（ｎθ_０＋φ）＋ｎθ_０）sin（ｎθ_０＋φ））・・・（５）
となる。さらに、ａ・Ｇ＝０とみなせば、
ω_ｏｕｔ＝dθ_０/dt（１−Ｇ・sin（ｎθ_０＋Ψ）＋ａ・ｎ・sin（ｎθ_０＋φ））・・・（６）
を得る。式（６）は、式（１）においてゲインＧをリップル含有率ａ・ｎに等しく設定し、かつ調整位相Ψを初期位相差φに等しく設定できれば、回転演算手段の出力ω_ｏｕｔが検出対象の角速度dθ_０/dtと等しくなることを示しており、回転角検出手段の出力に含まれていたリップル成分を除去することができることを示している。
【００２７】
さらにまた、回転演算手段の出力ω_ｏｕｔと検出対象の角速度dθ_０/dtとの間の誤差ｅ_ｒｒは式（６）から、

となる。
【００２８】
式（７）を展開整理すると、
【数１】

を得る。
【００２９】
誤差ｅ_ｒｒの振幅は、たとえば０〜２ａｎの範囲のゲインＧおよび、−π＋φ〜π＋φの範囲の調整位相Ψに対して極小値がゼロとなる唯一の極小点を持つ凹形関数となるため適当な値のＧやΨから出発して簡単に最小値ゼロを探し当てることができる。また、リップル含有率ａｎや初期位相φが既知の場合にはＧやΨを当初から既知の値に設定すればよいことは言うまでもない。
【００３０】
このように、本発明では回転検出装置の出力リップルを低減することができ、回転検出装置の装備される回転機等のアクチュエータのトルクリップルや速度むらを低減することができる。また、式（１）の簡単な演算で出力リップルを低減することができるので、アクチュエータ駆動装置や制御装置の簡素化、コストの低減化を図ることができる。さらに、式（８）から明らかなように、誤差ｅ_ｒｒの振幅がゼロであれば、検出対象の回転速度のいかんに係わらずリップル成分を低減させることができるので、回転検出装置の精度および信頼性の向上を図ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１ないし図７を参照して説明する。
【００３３】
図１および図２には、第１の実施の形態における回転検出装置が全体として符号１で示されている。この回転検出装置１は回転検出手段Ｃ１および回転演算手段Ｃ２，Ｃ２’を備えている。
【００３４】
本実施の形態における回転検出手段Ｃ１は検出対象としての回転電動機１１の回転子回転軸１３に取付けられ、回転子回転軸１３の回転角に比例した電圧を出力するレゾルバ１５と、レゾルバ１５の図示していない回転子に直結された回転入力軸１７と、回転子回転軸１３に接続され回転子回転軸１３の回転をレゾルバ１５の回転入力軸１７に伝達する回転伝達手段１９とで構成されている。
【００３５】
回転伝達手段１９は、たとえばユニバーサルジョイントやカップラーを備えており、レゾルバ１５の回転入力軸１７は回転子回転軸１３に対して理想的には互いの軸心が一致して回転する。レゾルバ１５は巻線を施された図示しない回転子および同じく巻線を備えた固定子２１で構成されるとともに、回転入力軸１７の所定の原点からの回転角０〜２π（rad）ごとに回転角に対応する電圧、たとえば０〜５（Ｖ）の電圧を出力する信号処理部２３を備えている。レゾルバ１５の固定子２１は台板２５上に支持部材２７により所定の方法で固定されている。
【００３６】
検出対象である回転電動機１１について説明する。回転電動機１１はベース２９上に載置されストッパ３１によって固定されており、結果的にベース２９と一体化されている。回転電動機１１は回転子回転軸１３のほかに、回転電動機１１の固定子を内蔵する固定子ハウジング３３、固定子ハウジング３３の円筒底面中央部で回転子回転軸１３を回転可能に支持する軸受け３５、回転子回転軸１３の出力端側に取付けられ回転電動機１１の負荷に対して図示していない所定の方法で動力を伝達するプーリ３７、回転検出装置１の出力に基づいて回転子回転軸１３の回転速度を制御するためのトルク指令値を演算する速度制御装置３９、三相交流電源４１から電力を受けるとともに速度制御装置３９の出力に基づいて回転子回転軸１３にトルク指令値に等しいトルクを発生させる駆動装置４３を備えている。
【００３７】
回転検出手段Ｃ１の出力信号は回転演算手段Ｃ２に導入される。この出力信号には、回転伝達手段１９の取付け偏心誤差などで生じる回転子回転軸１３の回転周期で変動する第１のリップル成分や、レゾルバ１５の図示していない巻線の不均一な巻装が電磁気的に作用して生じる回転子回転軸１３の回転周期の整数倍、たとえば４倍で変動する第２のリップル成分が含まれている。これらのリップル成分を低減し、検出される回転角に正しく対応する信号を得るために回転演算手段Ｃ２，Ｃ２’が備えられている。回転演算手段Ｃ２は、信号処理部２３の出力信号を回転子回転軸１３の回転角信号に変換する回転角検出部４５、その回転角信号を回転子回転軸１３の角速度信号に変換する角速度検出部４７、回転角検出部４５の出力信号に対する位相角を調節するための位相調整部４９、回転子回転軸１３が１回転する間に回転角検出部４５の出力に含まれる除去すべきリップルの周期数、たとえば４を入力信号に乗じる周期数ゲイン乗算部５１、位相調整部４９の出力と周期数ゲイン乗算部５１の出力とを加算する加算器５３、加算器５３の出力を入力するとともに入力した値の正弦値を計算する正弦演算部５５、正弦演算部５５の出力に調整可能なゲインを乗じるゲイン調整部５７、ゲイン調整部５７の出力と角速度演算部４７の出力とを乗算する乗算器５９、および角速度演算部４７の出力から乗算器５９の出力を減じる減算器６１を備えている。そして、位相調整部４９、周期数ゲイン乗算部５１、加算器５３および正弦演算部５５は全体として三角関数演算部Ｃ３を構成している。
【００３８】
回転演算手段Ｃ２’は、回転演算手段Ｃ２の出力である角速度を積分する積分器としての回転角検出部４５’、回転角検出部４５’の出力に対する位相角を調節するための位相調整部４９’、位相調整部４９’の出力と回転角検出部４５’の出力とを加算する加算器５３’、加算器５３’の出力を入力するとともに入力した値の正弦値を計算する正弦演算部５５’、正弦演算部５５’の出力に調整可能なゲインを乗じるゲイン調整部５７’、ゲイン調整部５７’の出力と回転演算手段Ｃ２の出力とを乗算する乗算器５９’、回転演算手段Ｃ２の出力から乗算器５９’の出力を減じる減算器６１’、および減算器６１’の出力である角速度を積分する積分器６３’を備えている。なお、位相調整部４９’、加算器５３’および正弦演算部５５’によって三角関数演算部Ｃ３’を構成している。
【００３９】
ここで、理解を容易にするため速度制御装置３９および駆動装置４３について説明する。速度制御装置３９は、回転子回転軸１３の角速度が追従すべき角速度目標パターンを出力する角速度目標パターン発生器６５、角速度目標パターン発生器６５の出力、および回転演算手段Ｃ２’が備える減算器６１’の角速度出力に基づいて、回転子回転軸１３の回転速度を目標パターンに追従させるためのトルク指令値を演算するトルク指令演算部６７を備えている。また、駆動装置４３は、三相交流電源４１からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ６９、トルク指令演算部６７の出力および積分器６３’の出力に基づいてトルク指令値と等しいトルクを回転電動機１１が発生するようにコンバータ６９からの直流電力を入力として所要の三相交流電力を出力するインバータ７１を備えている。ここで、インバータ７１は、所定のトルクを発生させる三相交流電流を回転電動機１１に供給するようにトルク指令演算部６７の出力および積分器６３’の出力に基づいてサイリスタ点弧角を制御する点弧角制御部７３、および点弧角制御部７３の出力によりに回転電動機１１に三相交流電流を供給するサイリスタ部７５を備えている。
【００４０】
回転検出装置１、速度制御装置３９および駆動装置４３において、これらの装置の動作に必要な電力は単相交流電源７７から供給される。なお、以下のブロック図において、矢印線は信号経路を、また棒線は回転電動機１１および回転検出装置１周辺の電力経路を示している。
【００４１】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る回転検出装置の動作について説明する。
【００４２】
装置が待機状態、すなわち三相交流電源４１および単相交流電源７７が投入されるとともに回転検出装置１、速度制御装置３９および駆動装置４３が稼動状態であるが角速度目標パターン発生器６５がゼロを出力している状態のときは、回転子回転軸１３は角速度ゼロの状態を維持している。やがて、角速度目標パターン発生器６５がたとえば図３に示すような台形パターンを発生し目標角速度が増加し始めると、トルク指令演算部６７において減算器６１’から出力される現在の回転子回転軸１３の角速度と目標パターン発生器６５の角速度目標値に基づいて回転電動機１１が発生すべきトルク指令値が演算され、その演算結果が駆動装置４３に出力される。そうすると点弧角制御部７３は回転電動機１１が指令値どおりのトルクを発生するようにサイリスタ部７５に対する点弧角を制御し、インバータ７１の出力電流により回転電動機１１は指令値どおりのトルクをもって所定回転速度で回転する。このようにして回転電動機１１の発生トルクによりプーリ３７が回転子回転軸１３とともに回転を開始する。
【００４３】
回転子回転軸１３の回転は回転伝達手段１９および回転入力軸１７を介してレゾルバ１５に伝達され、信号処理部２３では回転子回転軸１３の回転角の増加に対応して出力電圧が上昇する。信号処理部２３の出力電圧に基づいて、一方で回転角検出部４５において回転子回転軸１３の回転角が検出され、他方で角速度検出部４７においてたとえば微分器等を通して角速度が検出される。この時、信号処理部２３の出力電圧には上述の理由により第１のリップル成分や第２のリップル成分が含まれることになる。
【００４４】
回転角検出部４５で得られる回転角に対して、周期数ゲイン乗算部５１で回転子回転軸１３の１回転当たりのリップル周期数、ここでは４が乗算され、加算器５３において位相調整部４９の所定の位相角との和がとられて正弦演算部５５に導入され、加算器５３の出力値の正弦値が演算される。正弦演算部５５の出力にはゲイン調整部５７で所定のゲインが乗ぜられた後、乗算器５９において角速度検出部４７からの角速度が乗ぜられる。乗算器５９の出力は、角速度検出部４７からの角速度とともに減算器６１に導入され、角速度検出部４７の出力から減算され、その結果が回転演算手段Ｃ２の出力となる。つまり、回転子回転軸１３の回転角および角速度に対し、上述の式（１）における演算結果が角速度として回転演算手段Ｃ２から出力されることになる。したがって、回転演算手段Ｃ２から出力される角速度では第２のリップル成分が除去されている。
【００４５】
回転演算手段Ｃ２の角速度出力はさらに回転演算手段Ｃ２’に導入される。ここでは、積分器を備えた回転角検出部４５’で角速度が積分されて回転角に変換される。一方、第１のリップル成分の初期位相角に相当する所定の位相角が位相調整部４９’から出力されており、回転角検出部４５’および位相調整部４９’の出力が加算器５３’に導入される。ここで、回転演算手段Ｃ２では回転角検出部４５’と加算器５３’の間に介在した周期数ゲイン乗算部５１が存在しないのは、除去すべき第１のリップル成分が回転子回転軸と同期しているためである。正弦演算部５５’では、加算器５３’が出力する回転角の正弦値が計算され、ゲイン調整部５７’で正弦演算部５５’の出力値に第１のリップル成分の振幅に相当する所定のゲインが乗算される。ゲイン調整部５７’の出力は乗算器５９’において回転演算手段Ｃ２から出力された角速度を乗ぜられ、減算器６１’において乗算器５９’の出力を引く数として回転演算手段Ｃ２から出力された角速度に関して減算が行われる。つまり、ここにおいて第１のリップル成分について式（１）における演算結果が角速度として減算器６１’から出力されることになる。したがって、減算器６１’から出力される角速度では、すべてのリップル成分が除去されていることになる。減算器６１’の角速度出力はそのまま回転演算手段Ｃ２’の第１の出力として速度制御装置３９に導入される一方、積分器６３’に導入され回転角に変換される。積分器６３’の回転角出力は回転演算手段Ｃ２’の第２の出力として駆動装置４３に導入される。ここで、角速度目標値の増加に伴って増大する回転子回転軸１３の回転角および角速度が正確にトルク指令演算部６７および点弧角制御部７３に入力されることになるため、回転電動機１１には角速度の増加に伴う異常振動や角速度一定時のトルクリップルが発生せず、図３に示す角速度目標パターンに良好に追従する角速度をもってプーリ３７が回転する。やがて目標角速度がゼロになるとプーリ３７の角速度もゼロとなり、回転電動機１１は再び待機状態となる。
【００４６】
この場合のトルク指令演算部６７のトルク指令値は図４に示す波形（図３の各速度パターンの微分値相当）となるが、従来のように回転子回転軸１３の回転情報が回転検出手段Ｃ１から直に速度制御装置３９に入力されると、図３の角速度の増加に伴って、図５に示すようにトルク指令にリップルが発生する。このリップルの振動数と振幅は回転子回転軸１３の角速度の増加に伴って最大角速度に到達するまで増大し、やがて角速度の減少に伴って消滅する。このようにトルク指令値にゼロから最大角速度運転時の周波数に至るリップルが含まれると、回転電動機１１に連結されるシステムに特定周波数の共振を励起することがある。システムに共振を励起すると回転子回転軸１３が特定の角速度になるとシステムから騒音や振動が発生することになり、場合によってはシステムの破損を招くことになる。こうした現象を防止しシステムの信頼性を向上させるためには、回転電動機１１を含むシステム全体の剛性を上げ、共振周波数を上昇させればよい。しかし、システムの剛性を上げるには高強度の材料や補強が必要なため、結果として回転電動機１１に連結されるシステム全体のコスト上昇を招く。しかし、本実施の形態においては、図４に示すようにトルク指令にリップルが含まれないため、上述のようなコスト上昇を招くことがない。
【００４７】
なお、上記の第１の実施の形態では回転検出手段がレゾルバ１５を備えているが、これは回転検出手段の構成を何ら限定するものではなく、種々の変更が可能である。たとえば、回転入力軸１７の角速度に比例した出力電圧が得られる発電機であっても何ら差し支えない。また、回転電動機１１の回転を回転伝達手段１９および回転入力軸１７により伝達しているが、これは回転伝達手段１９の形態や回転入力軸１７の使用を何ら制限するものではなく、たとえば、図６に示すように回転子回転軸１３の端部周囲に等間隔の縞模様７９を形成し、信号処理部２３’に含まれる光学素子８１によってこれを読み取る、回転検出手段Ｃ１としての光学式エンコーダ８３であったり、図７に示すように回転子回転軸１３の回転を回転伝達手段としてのローラ８５を介してロータリーエンコーダ８７に伝達したりするものであってもよい。
【００４８】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態を図８および図９を参照して説明する。
【００４９】
第１の実施の形態では、回転検出手段Ｃ１の出力信号が直列に設けられた２つの回転演算手段Ｃ２，Ｃ２’で処理されているが、これは回転演算手段の個数や構成を何ら限定するものではなく、回転検出手段の出力信号が有するリップル成分の特徴に合わせ、回転演算手段の個数や構成を変更してもなんら差し支えないものである。たとえば、レゾルバ１５に代えてロータリーエンコーダ８７を備えた回転検出手段Ｃ１’にあっては、レゾルバ１５に起因する第２のリップル成分は存在しない。一方、たとえばカップリングで構成される回転伝達手段１９にガタが存在するような場合には、回転電動機１１のトルクの方向に応じて調整位相が変動することになる。また、回転電動機１１の負荷が軸心を歪ませる方向の外力を回転子回転軸１３に作用させる場合には、負荷の大きさに従って回転子回転軸１３の軸心とロータリーエンコーダ８７の図示しない回転軸に直結する回転入力軸１７の軸心にズレが生じてリップル成分の振幅が変動する場合もあり得る。このような場合には、トルク指令部６７の出力の正負符号で調整位相値を変えることのできる位相調整部４９”、および軸心を歪ませる方向の外力を検出しその大きさで補償用ゲインを変えることのできるゲイン調整部５７”を備えた回転演算手段Ｃ２”を用いてもよい。図８および図９は、このような実施形態を示すものである。
【００５０】
回転演算手段Ｃ２”は、位相調整部４９”と、ゲイン調整部５７”と、トルク指令演算部６７の出力を入力しその正負を判定する符号判定器８９とを備えている。符号判定器８９の出力は位相調整部４９”に導入されており、これにより位相調整部４９”はトルク指令部６７の出力の正負に基づいて正負それぞれ対応した所定の位相調整値を出力する。また、たとえば重力方向の外力が回転子回転軸１３の軸心を歪ませる場合には、外力検出手段９３の出力に基づいてゲイン調整部５７”のゲインを増減し、当該ゲインは常に上述の第１のリップル成分の振幅に等しい値に調整される。外力検出手段９３はベース２９の四隅位置と図示していない床面との間に介在して重力方向の力に応じた電圧信号を出力する４つのロードセル９１と、それぞれのロードセル９１の出力から重力方向の外力を計算する外力演算手段９５を備えており、外力演算手段９５からは当該外力の演算結果が出力される。つまり、符号判定器８９および外力検出手段９３は回転検出装置１の動作環境がいかなるものであっても、式（８）における誤差ｅ_ｒｒをゼロに等しくさせるための手段として作用している。ここで、回転演算手段Ｃ２”中の周期数ゲイン乗算部５１のゲインが１に設定されていることは言うまでもない。また、本実施の形態では、三角関数演算部Ｃ３”が位相調整部４９”、周期数ゲイン乗算部５１、加算器５３および正弦演算部５５によって構成されている。
【００５１】
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を図１０および図１１を参照して説明する。
【００５２】
第１および第２の実施の形態では、回転検出手段（Ｃ１，Ｃ１’）と回転演算手段（Ｃ２，Ｃ２’，Ｃ２”）が隣接し、それらが全体として回転検出装置１を構成していたが、これは回転検出手段と回転演算手段の距離および構成位置をなんら限定するものではなく、図１０および図１１に示すように、回転演算手段Ｃ２が速度制御装置３９’や駆動装置４３’に組み込まれていても良い。ここで、駆動装置４３’では回転角情報が必要なため、回転演算手段Ｃ２の出力は積分器６３’を介して点弧角制御部７３に入力されている。また、回転演算手段Ｃ２’が用いられていないのは、回転伝達手段に起因する上述の第１のリップル成分が十分小さいためである。本実施の形態では、回転検出手段Ｃ１を回転電動機１１に装着すれば良く、装置の取付けが簡単になるという利点がある。
【００５３】
＜他の実施の形態＞
上記各実施の形態では、回転演算手段Ｃ２，Ｃ２’，Ｃ２”はアナログ演算方式のものとして説明されているが、これはアナログ演算方式に限定されるものではなく、デジタル演算方式のものであってもよい。
【００５４】
また、上記各実施の形態では回転の検出対象が回転電動機であるとして説明したが、これは回転検出装置による検出対象をなんら限定するものではなく、回転体でさえあれば何でも良い。たとえば発電機であってもよいし、さらには可動子の直線移動距離を車輪を介してロータリーエンコーダで回転角に変換するリニアモータ等が検出対象であっても良い。
【００５５】
このほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の回転検出装置によれば、回転検出手段自体に起因して出力信号に混入し得るリップル成分を大幅に低減することができるので、回転角検出手段が原因で発生する電動機や各種アクチュエータのトルクリップルを低減することができ、これらアクチュエータの制御性能を向上させることができる。
【００５７】
また、回転検出手段が原因で発生するトルクリップル成分を除去することができるので、他の要因で発生するトルクリップルの原因特定が容易になる。
【００５８】
さらに、簡単な演算で回転検出手段の出力リップルを低減することができるので、アクチュエータ駆動装置や制御装置の簡素化およびコストの低減化を達成することができる。
【００５９】
加えて、回転検出対象の回転速度に係わらずリップル成分を低減することができるので、回転検出装置の精度および信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の全体的な構造を示す斜視図。
【図２】第１の実施の形態における全体的な構成を示すブロック図。
【図３】第１の実施の形態における目標角速度と時間との関係を示すパターン図。
【図４】第１の実施の形態におけるトルク指令値と時間との関係を示すパターン図。
【図５】従来技術によるトルク指令値と時間との関係を示すパターン図。
【図６】第１の実施の形態における回転検出手段の変形例を示す斜視図。
【図７】第１の実施の形態における回転検出手段の他の変形例を示す斜視図。
【図８】本発明の第２の実施の形態の全体的な構造を示す斜視図。
【図９】第２の実施の形態における全体的な構成を示すブロック図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の全体的な構造を示す斜視図。
【図１１】第３の実施の形態における全体的な構成を示すブロック図。
【符号の説明】
Ｃ１，Ｃ１’ 回転検出手段
Ｃ２，Ｃ２’，Ｃ２” 回転演算手段
Ｃ３，Ｃ３’，Ｃ３” 三角関数演算手段
１回転検出装置
１１回転電動機
１３回転子回転軸
１５レゾルバ
１７回転入力軸
１９回転伝達手段
２１固定子
２３，２３’ 信号処理部
２５台板
２７支持部材
２９ベース
３１ストッパ
３３固定子ハウジング
３５軸受け
３７プーリ
３９，３９’ 速度制御装置
４１三相交流電源
４３，４３’ 駆動装置
４５，４５’ 回転角検出部
４７角速度検出部
４９，４９’，４９” 位相調整部
５１周期数ゲイン乗算部
５３加算器
５５，５５’ 正弦演算部
５７，５７’，５７” ゲイン調整部
５９，５９’ 乗算器
６１，６１’ 減算器
６３’ 積分器
６５角速度目標パターン発生器
６７トルク指令演算部
６９コンバータ
７１インバータ
７３点弧角制御部
７５サイリスタ部
７７単相交流電源
７９縞模様
８１光学素子
８３光学式エンコーダ
８５ローラ
８７ロータリーエンコーダ
８９符号判定器
９１ロードセル
９３外力検出手段
９５外力演算手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation detecting device capable of reducing a torque ripple of a rotating machine or the like by reducing a ripple component inherent in an output signal.
[0002]
[Prior art]
Generally, ripples exist in the output torque of a motor. This torque ripple causes unevenness in the speed of the servomotor and a position error. For example, in an NC (numerical control) device, it causes a deterioration in machining accuracy. It has become.
[0003]
When detecting this type of torque ripple, there are two types of torque ripple obtained, one being internal due to the motor body including the speed reducer and the other being externally generated due to the rotation detection sensor. The former is caused by the machining accuracy of the motor stator and the rotor, the eccentricity of the rotor bearing, the harmonics of the magnetic field inside the motor, and the assembly accuracy of the speed reducer. Various methods of reducing the torque ripple have been conventionally studied and proposed. For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-129251, the torque ripple adjustment gain is set to A by focusing on the torque ripple generated by the reduction gear. Assuming that the rotation angle of the reduction gear is θ and the initial phase is α1, a correction signal Tcomp (= A · sin (θ + α1)) is calculated and added to the target torque command in a feedforward manner in synchronization with the rotation cycle of the motor. Since the torque ripple has a correlation with the rotation angle of the motor as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-299277, this correlation is stored in a storage device, and based on the motor rotation angle. There is a method of reading the torque ripple data corresponding to this and subtracting the ripple from the torque command value to obtain a new torque command value. .
[0004]
On the other hand, since the torque ripple caused by the latter rotation detection sensor appears as a motor torque ripple as a result, there is often no problem by reducing the ripple by applying the above-described control method to the motor control device. . However, if the output value of the rotation detection sensor includes a ripple caused by the rotation angle of the detection target, the amplitude of the ripple increases in proportion to the angular velocity of the detection target. There has been a problem that the angular velocity feedback gain cannot be increased, which not only places a heavy burden on the control device but also increases the cost of the device.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional rotation detecting device, even if the output includes a ripple, the driving of the rotating machine is performed so that the torque ripple and speed unevenness of the rotating machine equipped with the rotation detecting device do not become apparent. Various control methods have been applied in the device and the control device. For this reason, there has been a problem that a driving device and a control device of the rotating machine become complicated, resulting in a decrease in reliability and an increase in cost. Moreover, the torque ripple of the motor has factors such as the assembly accuracy of the reduction gear, the machining accuracy of the motor body, and the harmonics of the magnetic field in addition to the ripple of the output of the rotation detection device. This made it difficult to identify the factors, and did not sufficiently fulfill the function as a sensor.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to reduce output ripple, reduce torque ripple and speed unevenness of an actuator such as a rotating machine equipped with a rotation detecting device, and to provide an actuator driving device. It is an object of the present invention to provide a rotation detecting device capable of simplifying a control device and a control device, reducing cost and improving reliability.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a rotation detection unit that detects a rotation motion of a rotator, a rotation angle detection unit that detects a rotation angle of the rotator based on an output of the rotation detection unit, and a rotation unit. A rotation calculating unit including an angular velocity detecting unit that detects an angular velocity of the body, wherein the rotation calculating unit calculates a sine value of the rotation angle detected by the rotation angle detecting unit; A gain adjustment unit that multiplies the sine value calculated by the function operation unit by a predetermined gain, a multiplication unit that multiplies the output of the gain adjustment unit by the output of the angular velocity detection unit, and subtracts the output of the multiplication unit from the output of the angular velocity detection unit. And a subtraction unit for setting an angular velocity signal.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the rotation detection device according to the first aspect, the trigonometric function operation unit includes a phase adjustment unit that adjusts a phase of the rotation angle detected by the rotation angle detection unit. I do.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation detecting means includes a resolver that generates an output according to a rotation angle of the rotating body.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation detecting means includes a generator for outputting a voltage corresponding to the angular velocity of the rotating body.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation detecting means includes an encoder that generates an output according to a rotation angle of the rotating body.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation detecting means is disposed apart from the rotation calculating means.
[0013]
According to a seventh aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation detecting means includes a rotation calculating means.
[0014]
The invention according to claim 8 is the rotation detecting device according to claim 1, wherein the rotation calculating means includes means for reducing a ripple component of the angular velocity.
According to a ninth aspect of the present invention, in the rotation detection device according to the first aspect, the rotation calculating means includes a rotation angle θ, an angular velocity ω, a gain of the gain adjustment unit G, an adjustment phase value of the phase adjustment unit Ψ, Assuming that the number of ripple periods included in the output of the rotation angle detection unit per rotation of the rotating body is n,
ω _out = Ω (1-G · sin (nθ + Ψ)) (1)
Angular velocity ω obtained as _out Is calculated.
[0015]
According to a tenth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation calculating means includes means for reducing a ripple component of the rotation angle.
[0016]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the rotation detection device according to the first aspect, the rotation angle detection unit includes an integrator that integrates an output of the angular velocity detection unit to obtain a rotation angle.
[0017]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation calculating means includes an angular velocity output ω _out Characterized in that an integrator that integrates is provided.
[0018]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the rotation calculating means outputs a rotation angle signal in which the ripple component of the rotation angle is reduced and an angular velocity signal in which the ripple component of the angular velocity is reduced. And
[0019]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, a plurality of rotation calculation units are provided in series.
[0020]
The invention according to claim 15 is the rotation detection device according to claim 2, wherein the phase adjustment unit has a plurality of adjustment phase values, and one of the plurality of adjustment phase values is determined according to the sign of the torque of the rotating body. It is characterized by selectively outputting.
[0021]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the rotation detecting device according to the first aspect, the gain adjuster varies a predetermined gain in accordance with an external force acting on the rotor rotation shaft of the rotating body in the direction of gravity. I do.
[0022]
<Principle of the invention>
According to the present invention, it is possible to effectively remove a ripple component included in the output of the rotation detection unit, particularly, a ripple component that appears depending on the rotation cycle of the measurement object. If the output of the rotation detecting means has a plurality of ripple components, all the ripple components can be effectively reduced by providing a plurality of rotation calculating means corresponding to each ripple. That is, the rotation angle of the detection target is θ ₀ Then, the output of the rotation detecting means having the ripple of the amplitude a is converted into the rotation angle output θ of the following equation by the rotation angle detection unit.
[0023]
θ = θ ₀ −a · cos (nθ ₀ + Φ) (2)
Here, n is the number of ripple periods per one rotation of the detection target, and φ is the initial phase difference when the rotation detecting means is attached to the rotation detection target.
[0024]
Here, in the present invention, for example, the angular velocity output θ is obtained by time-differentiating the rotational angle output θ by the angular velocity detector.
[0025]
ω = dθ ₀ / dt (1 + a ・ n ・ sin (nθ ₀ + Φ)) ・・・ (3)
The rotation calculating means determines the output ω of the means based on, for example, equation (1). _out Is calculated, the output ω _out Is obtained by substituting equations (2) and (3) into equation (1),
ω _out = Dθ ₀ / dt (1-G · sin (Ψ−a · n · cos (nθ ₀ + Φ) + nθ ₀ ) + A · n · sin (nθ ₀ + Φ) -a · G · sin (Ψ−a · n · cos (nθ) ₀ + Φ) + nθ ₀ ) Sin (nθ ₀ + Φ)) (4)
Will be represented. Where dθ ₀ / dt is the angular velocity to be detected.
[0026]
Since equation (4) has a generally small ripple amplitude and can be regarded as a≪1, when a trigonometric function is linearly approximated near an angle of zero and developed,
ω _out = Dθ ₀ / dt (1-G · sin (Ψ + nθ) ₀ ) + A · n · G · cos (Ψ + nθ) ₀ ) Cos (nθ ₀ + Φ) + a · n · sin (nθ ₀ + Φ) -a · G · sin (Ψ−a · n · cos (nθ) ₀ + Φ) + nθ ₀ ) Sin (nθ ₀ + Φ)) (5)
It becomes. Furthermore, assuming that a · G = 0,
ω _out = Dθ ₀ / dt (1-G · sin (nθ) ₀ + Ψ) + a · n · sin (nθ ₀ + Φ)) ・・・ (6)
Get. Equation (6) indicates that if the gain G can be set equal to the ripple content a · n and the adjustment phase Ψ can be set equal to the initial phase difference φ in the equation (1), the output ω _out Is the angular velocity dθ to be detected ₀ / dt, which indicates that the ripple component included in the output of the rotation angle detecting means can be removed.
[0027]
Furthermore, the output ω of the rotation calculation means _out And the angular velocity dθ to be detected ₀ error e between / dt _rr From the equation (6),

It becomes.
[0028]
Expanding and rearranging equation (7),
(Equation 1)

Get.
[0029]
Error e _rr Is an appropriate value because it is a concave function having only one minimum point at which the minimum value becomes zero with respect to the gain G in the range of 0 to 2 an and the adjustment phase Ψ in the range of -π + φ to π + φ. Starting from G or Ψ, you can easily find the minimum value of zero. Further, when the ripple content an and the initial phase φ are known, it goes without saying that G and Ψ may be set to known values from the beginning.
[0030]
As described above, according to the present invention, the output ripple of the rotation detecting device can be reduced, and the torque ripple and speed unevenness of an actuator such as a rotating machine equipped with the rotation detecting device can be reduced. Further, since the output ripple can be reduced by a simple calculation of the equation (1), the actuator drive device and the control device can be simplified and the cost can be reduced. Further, as is apparent from equation (8), the error e _rr Is zero, the ripple component can be reduced irrespective of the rotation speed of the detection target, so that the accuracy and reliability of the rotation detection device can be improved.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0032]
<First embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0033]
1 and 2, the rotation detection device according to the first embodiment is indicated by reference numeral 1 as a whole. This rotation detecting device 1 includes a rotation detecting means C1 and rotation calculating means C2, C2 '.
[0034]
A rotation detector C1 according to the present embodiment is attached to a rotor rotation shaft 13 of a rotary electric motor 11 to be detected and outputs a voltage proportional to the rotation angle of the rotor rotation shaft 13. A rotation input shaft 17 directly connected to a rotor (not shown); and a rotation transmission means 19 connected to the rotor rotation shaft 13 and transmitting the rotation of the rotor rotation shaft 13 to the rotation input shaft 17 of the resolver 15. I have.
[0035]
The rotation transmitting means 19 includes, for example, a universal joint or a coupler, and the rotation input shaft 17 of the resolver 15 rotates with the rotor rotation shaft 13 ideally having their axes aligned with each other. The resolver 15 is composed of a wound rotor (not shown) and a stator 21 also provided with a winding. The resolver 15 rotates at a rotation angle of 0 to 2π (rad) from a predetermined origin of the rotary input shaft 17. The signal processor 23 outputs a voltage corresponding to a corner, for example, a voltage of 0 to 5 (V). The stator 21 of the resolver 15 is fixed on a base plate 25 by a support member 27 by a predetermined method.
[0036]
The rotary motor 11 to be detected will be described. The rotary electric motor 11 is mounted on the base 29 and fixed by the stopper 31, and as a result, is integrated with the base 29. The rotary motor 11 includes, in addition to the rotor rotary shaft 13, a stator housing 33 that houses the stator of the rotary motor 11, and a bearing 35 that rotatably supports the rotor rotary shaft 13 at the center of the cylindrical bottom surface of the stator housing 33. A pulley 37 attached to an output end side of the rotor rotating shaft 13 for transmitting power to a load of the rotating electric motor 11 by a predetermined method (not shown); A speed control device 39 for calculating a torque command value for controlling the rotation speed of the motor, receives power from the three-phase AC power supply 41, and applies a torque equal to the torque command value to the rotor shaft 13 based on the output of the speed control device 39. Is provided.
[0037]
The output signal of the rotation detecting means C1 is introduced to the rotation calculating means C2. This output signal includes a first ripple component that fluctuates in the rotation cycle of the rotor rotation shaft 13 caused by an eccentric error in the attachment of the rotation transmission means 19, and uneven winding of a winding (not shown) of the resolver 15. Includes a second ripple component that fluctuates at an integral multiple, for example, four times, the rotation period of the rotor rotating shaft 13 generated by electromagnetically acting. Rotation calculation means C2 and C2 'are provided to reduce these ripple components and obtain a signal that correctly corresponds to the detected rotation angle. The rotation calculating means C2 includes a rotation angle detection unit 45 that converts an output signal of the signal processing unit 23 into a rotation angle signal of the rotor rotation shaft 13, and an angular velocity detection that converts the rotation angle signal into an angular speed signal of the rotor rotation shaft 13. Unit 47, a phase adjusting unit 49 for adjusting the phase angle with respect to the output signal of the rotation angle detection unit 45, and the amount of ripple to be removed included in the output of the rotation angle detection unit 45 during one rotation of the rotor rotation shaft 13. A cycle number gain multiplier 51 for multiplying the input signal by the cycle number, for example, 4; an adder 53 for adding the output of the phase adjuster 49 and the output of the cycle number gain multiplier 51; Sine operation unit 55 that calculates the sine value of the calculated value, gain adjustment unit 57 that multiplies the output of sine operation unit 55 by an adjustable gain, and power that multiplies the output of gain adjustment unit 57 by the output of angular velocity operation unit 47. Vessel 59, and from the output of the angular velocity calculating portion 47 and a subtractor 61 subtracting the output of the multiplier 59. The phase adjustment unit 49, the cycle number gain multiplication unit 51, the adder 53, and the sine operation unit 55 constitute a trigonometric function operation unit C3 as a whole.
[0038]
The rotation calculation means C2 'includes a rotation angle detection unit 45' as an integrator for integrating the angular velocity output from the rotation calculation means C2, and a phase adjustment unit 49 for adjusting a phase angle with respect to the output of the rotation angle detection unit 45 '. ', An adder 53' that adds the output of the phase adjustment unit 49 'and the output of the rotation angle detection unit 45', and a sine calculation unit 55 that receives the output of the adder 53 'and calculates the sine value of the input value. ', A gain adjustment unit 57' for multiplying the output of the sine operation unit 55 'by an adjustable gain, a multiplier 59' for multiplying the output of the gain adjustment unit 57 'by the output of the rotation operation unit C2, A subtractor 61 'for subtracting the output of the multiplier 59' from the output, and an integrator 63 'for integrating the angular velocity output from the subtractor 61' are provided. The phase adjustment unit 49 ', the adder 53' and the sine operation unit 55 'constitute a trigonometric function operation unit C3'.
[0039]
Here, the speed control device 39 and the drive device 43 will be described for easy understanding. The speed control device 39 includes an angular velocity target pattern generator 65 that outputs an angular velocity target pattern to be followed by the angular velocity of the rotor rotating shaft 13, an output of the angular velocity target pattern generator 65, and a subtractor 61 provided in the rotation calculation unit C 2 ′. And a torque command calculator 67 for calculating a torque command value for causing the rotation speed of the rotor rotating shaft 13 to follow the target pattern based on the angular velocity output of '. In addition, the drive device 43 rotates a torque equal to the torque command value based on the output of the converter 69 for converting the AC power from the three-phase AC power supply 41 into the DC power, the output of the torque command calculation unit 67, and the integrator 63 ′. An inverter 71 is provided which receives DC power from the converter 69 and outputs required three-phase AC power so that the electric motor 11 generates. Here, the inverter 71 controls the thyristor firing angle based on the output of the torque command calculator 67 and the output of the integrator 63 'so as to supply the rotary motor 11 with a three-phase alternating current for generating a predetermined torque. A firing angle control unit 73 and a thyristor unit 75 that supplies a three-phase alternating current to the rotary electric motor 11 based on the output of the firing angle control unit 73 are provided.
[0040]
In the rotation detection device 1, the speed control device 39, and the driving device 43, electric power required for the operation of these devices is supplied from a single-phase AC power supply 77. In the following block diagrams, arrow lines indicate signal paths, and bar lines indicate power paths around the rotary motor 11 and the rotation detection device 1.
[0041]
Next, the operation of the rotation detecting device according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0042]
The apparatus is in a standby state, that is, the three-phase AC power supply 41 and the single-phase AC power supply 77 are turned on and the rotation detecting device 1, the speed control device 39 and the driving device 43 are in the operating state, but the angular velocity target pattern generator 65 is set to zero. During the output state, the rotor rotating shaft 13 maintains the state of zero angular velocity. Eventually, when the angular velocity target pattern generator 65 generates a trapezoidal pattern as shown in FIG. 3, for example, and the target angular velocity starts to increase, the torque command calculation section 67 outputs the current rotor rotation shaft 13 output from the subtractor 61 ′. The torque command value to be generated by the rotary electric motor 11 is calculated based on the angular velocity and the target angular velocity value of the target pattern generator 65, and the calculation result is output to the drive device 43. Then, the firing angle control unit 73 controls the firing angle for the thyristor unit 75 so that the rotary motor 11 generates a torque according to the command value. It rotates at the rotation speed. Thus, the pulley 37 starts rotating together with the rotor rotating shaft 13 by the torque generated by the rotating electric motor 11.
[0043]
The rotation of the rotor rotation shaft 13 is transmitted to the resolver 15 via the rotation transmission means 19 and the rotation input shaft 17, and the signal processing unit 23 increases the output voltage in response to the increase in the rotation angle of the rotor rotation shaft 13. . Based on the output voltage of the signal processing unit 23, the rotation angle of the rotor rotation shaft 13 is detected on the one hand by the rotation angle detection unit 45, and on the other hand the angular velocity is detected by the angular velocity detection unit 47 through, for example, a differentiator. At this time, the output voltage of the signal processing unit 23 includes the first ripple component and the second ripple component for the above-described reason.
[0044]
The rotation angle obtained by the rotation angle detection unit 45 is multiplied by the number of ripple periods per rotation of the rotor rotation shaft 13, here, 4 by the period number gain multiplication unit 51, and the phase adjustment unit 49 is added by the adder 53. Of the output value of the adder 53 is calculated. After the output of the sine operation unit 55 is multiplied by a predetermined gain by the gain adjustment unit 57, the multiplier 59 multiplies the output by the angular velocity from the angular velocity detection unit 47. The output of the multiplier 59 is introduced into the subtractor 61 together with the angular velocity from the angular velocity detector 47, and is subtracted from the output of the angular velocity detector 47, and the result is output from the rotation calculation means C2. That is, for the rotation angle and the angular velocity of the rotor rotating shaft 13, the calculation result in the above equation (1) is output from the rotation calculating means C2 as the angular velocity. Therefore, the second ripple component has been removed from the angular velocity output from the rotation calculating means C2.
[0045]
The angular velocity output of the rotation calculating means C2 is further introduced to the rotation calculating means C2 '. Here, the angular velocity is integrated by a rotation angle detection unit 45 ′ having an integrator and converted into a rotation angle. On the other hand, a predetermined phase angle corresponding to the initial phase angle of the first ripple component is output from the phase adjustment unit 49 ′, and the outputs of the rotation angle detection unit 45 ′ and the phase adjustment unit 49 ′ are sent to the adder 53 ′. be introduced. Here, in the rotation calculating means C2, the period gain multiplication unit 51 interposed between the rotation angle detection unit 45 'and the adder 53' does not exist because the first ripple component to be removed is equal to the rotor rotation axis. This is because they are synchronized. The sine operation unit 55 'calculates a sine value of the rotation angle output from the adder 53', and the gain adjustment unit 57 'adds a predetermined value corresponding to the amplitude of the first ripple component to the output value of the sine operation unit 55'. The gain is multiplied. The output of the gain adjustment unit 57 'is multiplied by the angular velocity output from the rotation calculating means C2 in the multiplier 59', and the angular velocity output from the rotation calculating means C2 as a number to subtract the output of the multiplier 59 'in the subtractor 61'. Is subtracted. That is, here, the calculation result of the equation (1) for the first ripple component is output from the subtractor 61 'as the angular velocity. Therefore, in the angular velocity output from the subtractor 61 ', all the ripple components have been removed. The output of the angular velocity of the subtractor 61 'is directly introduced into the velocity control device 39 as the first output of the rotation calculating means C2', and is introduced into the integrator 63 'and converted into a rotation angle. The rotation angle output of the integrator 63 'is introduced to the driving device 43 as the second output of the rotation calculating means C2'. Here, since the rotation angle and the angular velocity of the rotor rotating shaft 13 that increase with the increase of the angular velocity target value are accurately input to the torque command calculation unit 67 and the firing angle control unit 73, the rotation motor 11 No abnormal vibration accompanying the increase in angular velocity or torque ripple at a constant angular velocity occurs, and the pulley 37 rotates at an angular velocity that favorably follows the angular velocity target pattern shown in FIG. Eventually, when the target angular velocity becomes zero, the angular velocity of the pulley 37 becomes zero, and the rotary electric motor 11 returns to the standby state.
[0046]
In this case, the torque command value of the torque command calculation unit 67 has a waveform shown in FIG. 4 (corresponding to the differential value of each speed pattern in FIG. 3). When input to the speed control device 39 directly from C1, a ripple is generated in the torque command as shown in FIG. 5 with an increase in the angular velocity in FIG. The frequency and amplitude of the ripple increase with the increase in the angular velocity of the rotor rotating shaft 13 until reaching the maximum angular velocity, and eventually disappear with the decrease in the angular velocity. When the torque command value includes the ripple from zero to the frequency at the time of the maximum angular velocity operation, resonance of a specific frequency may be excited in the system connected to the rotary motor 11. When resonance is excited in the system, when the rotor rotation shaft 13 reaches a specific angular velocity, noise or vibration is generated from the system, and in some cases, the system is damaged. In order to prevent such a phenomenon and improve the reliability of the system, it is only necessary to increase the rigidity of the entire system including the rotary motor 11 and increase the resonance frequency. However, to increase the rigidity of the system, high-strength materials and reinforcement are required, and as a result, the cost of the entire system connected to the rotary motor 11 increases. However, in the present embodiment, the ripple is not included in the torque command as shown in FIG. 4, so that the above-described cost increase does not occur.
[0047]
In the first embodiment described above, the rotation detecting means includes the resolver 15, but this does not limit the configuration of the rotation detecting means at all, and various modifications are possible. For example, a generator that can obtain an output voltage proportional to the angular velocity of the rotary input shaft 17 may be used. In addition, the rotation of the rotary electric motor 11 is transmitted by the rotation transmission means 19 and the rotation input shaft 17, but this does not limit the form of the rotation transmission means 19 or the use of the rotation input shaft 17 at all. As shown in FIG. 6, an optical encoder as rotation detecting means C1 forms a striped pattern 79 at equal intervals around the end of the rotor rotation shaft 13 and reads it by an optical element 81 included in the signal processing unit 23 '. 83, or may transmit the rotation of the rotor rotating shaft 13 to a rotary encoder 87 via a roller 85 as rotation transmission means as shown in FIG.
[0048]
<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0049]
In the first embodiment, the output signal of the rotation detecting means C1 is processed by the two rotation calculating means C2 and C2 'provided in series. However, this limits the number and configuration of the rotation calculating means. Instead, the number and configuration of the rotation calculation means may be changed according to the characteristics of the ripple component of the output signal of the rotation detection means. For example, in the rotation detecting means C1 'including the rotary encoder 87 instead of the resolver 15, the second ripple component due to the resolver 15 does not exist. On the other hand, in the case where play is present in the rotation transmission means 19 constituted by, for example, a coupling, the adjustment phase varies in accordance with the direction of the torque of the rotary electric motor 11. In addition, when an external force in a direction in which the load of the rotary electric motor 11 distorts the shaft center is applied to the rotor shaft 13, the shaft center of the rotor shaft 13 and the rotation (not shown) of the rotary encoder 87 are changed according to the magnitude of the load. A deviation may occur in the axis of the rotary input shaft 17 directly connected to the shaft, and the amplitude of the ripple component may fluctuate. In such a case, the phase adjuster 49 ″ capable of changing the adjustment phase value by the sign of the output of the torque command unit 67, and the external force in the direction of distorting the shaft center are detected, and the magnitude of the external force is used as the compensation gain. The rotation calculation means C2 "provided with a gain adjustment unit 57" that can change the value of the rotation angle may be used. FIGS. 8 and 9 show such an embodiment.
[0050]
The rotation calculating means C2 "includes a phase adjusting unit 49", a gain adjusting unit 57 ", and a sign judging unit 89 which receives an output of the torque command calculating unit 67 and judges whether the output is positive or negative. Is output to the phase adjustment unit 49 ″, whereby the phase adjustment unit 49 ″ outputs predetermined phase adjustment values corresponding to positive and negative based on the positive and negative of the output of the torque command unit 67. Further, for example, gravity When the external force in the direction distorts the axis of the rotor rotating shaft 13, the gain of the gain adjusting unit 57 ″ is increased or decreased based on the output of the external force detecting means 93, and the gain is always the first ripple component. Is adjusted to a value equal to the amplitude of The external force detecting means 93 is provided between four corner positions of the base 29 and a floor surface (not shown) to output voltage signals corresponding to the force in the direction of gravity. An external force calculating means 95 for calculating an external force in the direction is provided, and the external force calculating means 95 outputs a calculation result of the external force. In other words, the sign estimator 89 and the external force detecting means 93 determine the error e in the equation (8) regardless of the operating environment of the rotation detecting device 1. _rr Acts as a means to make. Here, it is needless to say that the gain of the cycle number gain multiplication unit 51 in the rotation calculation means C2 "is set to 1. In the present embodiment, the trigonometric function calculation unit C3" is replaced by the phase adjustment unit 49 ". , A cycle number gain multiplying unit 51, an adder 53, and a sine calculating unit 55.
[0051]
<Third embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0052]
In the first and second embodiments, the rotation detecting means (C1, C1 ') and the rotation calculating means (C2, C2', C2 ") are adjacent to each other, and constitute the rotation detecting device 1 as a whole. However, this does not limit the distance and the configuration position of the rotation detecting means and the rotation calculating means at all. As shown in FIGS. 10 and 11, the rotation calculating means C2 is provided to the speed control device 39 'and the driving device 43'. Here, since the drive device 43 'needs rotation angle information, the output of the rotation calculation means C2 is input to the firing angle control unit 73 via the integrator 63'. The reason why the rotation calculating means C2 'is not used is that the first ripple component caused by the rotation transmitting means is sufficiently small.In the present embodiment, the rotation detecting means C1 is mounted on the rotary electric motor 11. Just do it and install the device Has the advantage of being simpler.
[0053]
<Other embodiments>
In each of the above embodiments, the rotation operation means C2, C2 ', and C2 "have been described as being of the analog operation type. However, this is not limited to the analog operation method and may be of the digital operation type. You may.
[0054]
Further, in each of the above embodiments, the rotation detection target has been described as a rotary electric motor, but this does not limit the detection target of the rotation detection device at all, and any object may be used as long as it is a rotating body. For example, a generator may be used, or a linear motor or the like that converts the linear moving distance of the mover into a rotation angle by a rotary encoder via wheels may be a detection target.
[0055]
In addition, various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the rotation detection device of the present invention, the ripple component that can be mixed into the output signal due to the rotation detection means itself can be greatly reduced, and thus the rotation angle detection means generates the ripple component. The torque ripple of the electric motor and various actuators can be reduced, and the control performance of these actuators can be improved.
[0057]
Further, since the torque ripple component generated by the rotation detecting means can be removed, the cause of the torque ripple generated by other factors can be easily specified.
[0058]
Furthermore, since the output ripple of the rotation detecting means can be reduced by a simple calculation, simplification of the actuator driving device and the control device and reduction in cost can be achieved.
[0059]
In addition, the ripple component can be reduced regardless of the rotation speed of the rotation detection target, so that the accuracy and reliability of the rotation detection device can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the overall structure of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an overall configuration according to the first embodiment.
FIG. 3 is a pattern diagram showing a relationship between a target angular velocity and time in the first embodiment.
FIG. 4 is a pattern diagram showing a relationship between a torque command value and time in the first embodiment.
FIG. 5 is a pattern diagram showing a relationship between a torque command value and time according to a conventional technique.
FIG. 6 is a perspective view showing a modification of the rotation detecting means according to the first embodiment.
FIG. 7 is a perspective view showing another modification of the rotation detecting means according to the first embodiment.
FIG. 8 is a perspective view showing the overall structure of the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing an overall configuration according to the second embodiment.
FIG. 10 is a perspective view showing the overall structure of a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram showing an overall configuration according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
C1, C1 'rotation detecting means
C2, C2 ', C2 "rotation calculation means
C3, C3 ', C3 "Trigonometric function operation means
1 Rotation detection device
11 Rotary motor
13 Rotor shaft
15 Resolver
17 Rotation input shaft
19 Rotation transmission means
21 Stator
23, 23 'signal processing unit
25 base plate
27 Supporting members
29 base
31 Stopper
33 Stator housing
35 bearing
37 pulley
39, 39 'speed control device
41 Three-phase AC power supply
43, 43 'drive unit
45, 45 'rotation angle detector
47 Angular velocity detector
49, 49 ', 49 "phase adjustment unit
51 Period gain multiplier
53 adder
55, 55 'sine operation unit
57, 57 ', 57 "gain adjustment unit
59,59 'Multiplier
61, 61 'subtractor
63 'integrator
65 Angular velocity target pattern generator
67 Torque command calculator
69 Converter
71 Inverter
73 Firing angle controller
75 Thyristor section
77 Single-phase AC power supply
79 Stripes
81 Optical element
83 Optical encoder
85 rollers
87 Rotary encoder
89 Sign decision unit
91 load cell
93 External force detecting means
95 External force calculation means

Claims

回転体の回転運動を検出する回転検出手段と、前記回転検出手段の出力に基づき前記回転体の回転角を検出する回転角検出部および前記回転体の角速度を検出する角速度検出部を含む回転演算手段とを備える回転検出装置において、前記回転演算手段は、前記回転角検出部によって検出された回転角の正弦値を演算する三角関数演算部と、前記三角関数演算部によって算出された正弦値に所定のゲインを乗じるゲイン調整部と、前記ゲイン調整部の出力に前記角速度検出部の出力を乗じる乗算部と、前記角速度検出部の出力から前記乗算部の出力を減じて角速度信号とする減算部とを備えていることを特徴とする回転検出装置。Rotation calculation including rotation detection means for detecting the rotation motion of the rotation body, a rotation angle detection section for detecting the rotation angle of the rotation body based on the output of the rotation detection means, and an angular velocity detection section for detecting the angular velocity of the rotation body And a rotation detecting device, wherein the rotation calculating means calculates a sine value of the rotation angle detected by the rotation angle detecting section, and a sine value calculated by the trigonometric function calculating section. A gain adjuster that multiplies a predetermined gain, a multiplier that multiplies the output of the gain adjuster by the output of the angular velocity detector, and a subtractor that subtracts the output of the multiplier from the output of the angular velocity detector to generate an angular velocity signal And a rotation detecting device.

前記三角関数演算部は、前記回転角検出部によって検出された回転角の位相を調整する位相調整手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detection device according to claim 1, wherein the trigonometric function calculation unit includes a phase adjustment unit that adjusts a phase of the rotation angle detected by the rotation angle detection unit.

前記回転検出手段は、前記回転体の回転角に応じた出力を生じるレゾルバを備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detection device according to claim 1, wherein the rotation detection unit includes a resolver that generates an output according to a rotation angle of the rotator.

前記回転検出手段は、前記回転体の角速度に応じた電圧を出力する発電機を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。The rotation detection device according to claim 1, wherein the rotation detection unit includes a generator that outputs a voltage corresponding to an angular velocity of the rotating body.

前記回転検出手段は、前記回転体の回転角に応じた出力を生じるエンコーダを備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detection device according to claim 1, wherein the rotation detection unit includes an encoder that generates an output according to a rotation angle of the rotator.

前記回転検出手段は、前記回転演算手段から離隔して配置されていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein the rotation detecting unit is disposed apart from the rotation calculating unit.

前記回転検出手段は前記回転演算手段を内包していることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein said rotation detecting means includes said rotation calculating means.

前記回転演算手段は、前記角速度のリップル成分を低減する手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein said rotation calculating means includes means for reducing a ripple component of said angular velocity.

前記回転演算手段は、前記回転角をθ、前記角速度をω、前記ゲイン調整部のゲインをＧ、前記位相調整部の調整位相値をΨ、前記回転体１回転当たりの前記回転角検出部の出力に含まれるリップル周期数をｎとして、
ω_ｏｕｔ＝ω（１−Ｇ・sin（ｎθ＋Ψ））
として得られる角速度ω_ｏｕｔを演算することを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。The rotation calculation means includes: the rotation angle θ, the angular velocity ω, the gain of the gain adjustment unit G, the adjustment phase value of the phase adjustment unit Ψ, and the rotation angle detection unit per rotation of the rotator. Assuming that the number of ripple periods included in the output is n,
ω _out = ω (1−G · sin (nθ + Ψ))
2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein an angular velocity ω _out obtained as follows is calculated.

前記回転演算手段は、前記回転角のリップル成分を低減する手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein said rotation calculating means includes means for reducing a ripple component of said rotation angle.

前記回転角検出部は、前記角速度検出部の出力を積分して回転角を得る積分器を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。The rotation detection device according to claim 1, wherein the rotation angle detection unit includes an integrator that obtains a rotation angle by integrating an output of the angular velocity detection unit.

前記回転演算手段が前記角速度出力ω_ｏｕｔを積分する積分器を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein said rotation calculating means includes an integrator for integrating said angular velocity output ω _out .

前記回転演算手段は、前記回転角のリップル成分を低減した回転角信号および前記角速度のリップル成分を低減した角速度信号を出力することを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein the rotation calculating means outputs a rotation angle signal in which a ripple component of the rotation angle is reduced and an angular velocity signal in which a ripple component of the angular velocity is reduced.

前記回転演算手段は、複数段直列に設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein the rotation calculating means is provided in a plurality of stages in series.

前記位相調整部は複数の調整位相値を有し、前記回転体のトルクの符号に応じて前記複数の調整位相値のうち一つを選択的に出力することを特徴とする請求項２記載の回転検出装置。3. The phase adjustment unit according to claim 2, wherein the phase adjustment unit has a plurality of adjustment phase values, and selectively outputs one of the plurality of adjustment phase values according to a sign of the torque of the rotating body. Rotation detection device.

前記ゲイン調整部は、前記回転体の回転子回転軸に作用する重力方向の外力に応じて前記所定のゲインを変動させることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。2. The rotation detecting device according to claim 1, wherein the gain adjustment unit changes the predetermined gain in accordance with an external force acting on a rotor rotation axis of the rotator in a direction of gravity.